JPH04192383A - ジョセフソン接合素子のパターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は極低温において動作するジョセフソン接合素子
のパターン形成方法に係り、特に高集積回路に適した信
頼性の高い接合パターンの形成方法に関する。

〔従来の技術〕

従来のジョセフソン接合素子の形成方法としては、特開
昭５８−１７６９８３号公報に記載されているように、
Ｎ　ｂ　／　Ａ　Ｑ　Ｏｘ／　Ｎ　ｂ　膜から成る下部
電極。

トンネル障壁層、上部電極を連続的に形成し、しかる後
に所望のレジストパターンをマスクにして接合および配
線パターンを形成する方法が用いられて来た。この方法
によればパターンの形成工程が途中に介在することがな
いので高品質の接合が得られ、このためにリーク電流の
少ないジョセフソン接合が形成できるという特徴があっ
た。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の接合部のドライエツチング後における絶
縁膜の埋戻しには構造上に問題があり、マイクロショー
トやコンタクト電極が断線等を起こし易いという問題点
があった。

第２図は従来のジョセフソン接合素子の形成工程を示し
たものである。

まず、第２図（ａ）に示すように、基板２１上にＮｂ膜
より成る下部電極２２、トンネル障壁層となるＡＱＯｘ
層２３．Ｎｂ層から成る上部電極２４のＮｂ／ＡＱＯｘ
／Ｎｂ　　の三層膜をスパッタ法により被着した後５接
合面積規定用のレジストパターン２５を、該Ｎｂ膜から
成る上部電極２４上に形成する。

ついで、第２図（ｂ）に示すように、ＣＦ４（フロン１
４）ガスによりＡＱＯｘ層２３が露出するまでエツチン
グし、レジストパターン２５が形成されている部分以外
の上部電極２４を除去する。

ついで、第２図（ｂ）に示すように、上部電極２４から
成る接合パターン上のレジストパターン２５をリフトオ
フマスクにして、上部電極２４と同じ高さとなるように
絶縁膜２６を全面に被着して埋戻す。

ついで、第２図（ｄ）に示すようにアセトンによりリフ
トオフを行って上部電極２４から成る接合パターンの側
壁を保護する。

ついで、第２図（ｅ）に示すように上部電極２４の表面
を十分にＡｒスパッタクリーニングを行った後にコンタ
クト電極２７を形成して完了する。

しかし、上記の方法において問題となるのは、第２図（
ｄ）に示すようにリフトオフによって形成される溝やぼ
りである。特に溝が形成された場合、次のような問題が
生ずる。すなわち、第２図（ｅ）で示すように上部電極
２４とのコンタクト電極２７を形成する際、Ａｒスパッ
タクリーニングで該上部電極２４表面の酸化膜を完全に
除去する必要がある。しかし、溝が形成されていると、
Ａｒスパッタクリーニングの際に、Ａｒ粒子がトンネル
障壁層であるＡＱＯｘ２３を破壊し、下部電極２４の表
面層までエツチングが進んでしまう。

このためにコンタクト電極膜を被着した際に、下部電極
２２間において局部的にマイクショートが生じ、接合特
性の劣化の原因となる（第２＠（ｅ　）点線丸印内Ａ）
。一方、はりが形成された場合には該コンタクト電極２
７および上層の配線パターンが断線を生じて致命的な欠
陥となる可能性がある（第２図（ｅ、　）点線丸印内Ｂ
）。

このように従来方法では、上記のような問題点のあるこ
とから信頼性の高いジョセフソン接合素子を再現性良く
形成することが困難であった。

本発明の目的は上部電極から成る接合パターンのドライ
エツチング後における絶縁膜の埋戻しに対して溝やばり
が形成されないような構造を持つジョセフソン接合素子
のパターン形成方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明のジョセフソン接合素
子のパターン形成方法は、 （１）基板上に下部電極、トンネル障壁層および上部電
極の三層膜を連続的に形成する工程、（２）上記上部電
極膜上に接合面積を規定するポジ型のレジストジョセフ
ソンを形成する工程、（３）上記レジストパターン以外
の上部電極膜をドライエツチングで除去する工程、 （４）残存した上記レジストパターンを０２プラズマ灰
化処理によって上記レジストパターンの断面形状を整形
後退させる工程、 （５）上記基板全面に絶縁膜を被着する工程、（６）上
記レジストパターン上に被着された絶縁膜と共に上記レ
ジストパターンをリフトオフにより除去する工程とを備
え、また、 上記レジストパターンを形成する工程は、パターン露光
前あるいは露光後にクロロベンゼン処理を施し、現像処
理によってオーバハングの断面形状にすることを特徴と
する。

すなわち、オーバハング形状のレジストパターンを接合
面積規定用のマスクとし、ドライエツチング後において
は、エツチング部分の絶縁膜の埋戻し用リフトオフマス
クとして用いる。この際。

ドライエツチング直後において上部電極上の外周部分の
不要レジストパターンを０２プラズマ灰化処理によって
整形後退させ、上部電極上の端部と角部にわずかにテラ
ス部分を形成する。その後から絶縁膜を被着して埋戻す
。すなわち、接合面積を規定する上部電極の外周部分だ
けに絶縁膜が被着形成させるような構造にするものであ
る。

上記、下部電極、トンネル障壁層および上部電極の三層
膜の具体的な材料としては、Ｎｂ／ＡＱＯｘ／Ｎｂ、Ｎ
ｂ／ＡｌＯｘ／ＮｂＮ、ＮｂＮ／Ｎｂ２Ｏ，／Ｎ　ｂ　
Ｎのうちの一者の構成とするのが好ましいゆ 〔作用〕 上記手段のレジストパターンをマスクに用いれば、溝や
ばりが形成されない状態での絶縁膜の埋戻しが可能とな
る。すなわち、オーバハング形状をしているために、リ
フトオフが容易に出来る利点がある。オーバハングの厚
み、およびくい込み量はパターン露光後に所望とする時
間だけクロロベンゼン液の中に浸漬した後、現象すれば
容易に制御できる。

また、上記の接合を形成する工程において、レジストパ
ターン以外の上部電極部分をエツチング除去した後に、
残存したレジストパターンの断面形状を整形後退させる
工程は、上記のように、上部電極の端部と角部に僅かな
テラス部分を形成させるものである。そしてこのことが
、絶縁膜を埋戻した際に、上部電極の外周部分に絶縁膜
を被着形成させることになり、また、このためにこの外
周の１＃＠縁膜がＡｒスパッタクリーニングの際にも保
護膜の役を果たして上部電極の端部を完全に保護し、コ
ンタクト電極でマイクロショートを引き起こすような可
能性をなくす作用を有する。

〔実施例〕

以下、第１図に本発明の一実施例であるジョセフソン接
合素子の形成工程を示す。

第１図（ａ）に示すように基板１１には、直径５０ｍφ
、厚さ４５０μｍの（１００）の８１基板（実際にはＮ
ｂグランドプレーン膜厚２０Ｏｎｍ上にＳｉＯ膜が３０
０ｎｍ施しであるが第１図（ａ）〜（ｆ）においては省
略しである）上に下部電極１２となる膜厚１６０ｎｍの
Ｎｂ膜をＤＣマグネトロンスパッタ法により被着する。

被着条件はＡｒ圧力０．２７Ｐａ　　、堆積速度３ｎｍ
／秒で行った。ついで、同一スパッタ装置内でＳｉ基板
１゛１をＡＱのターゲットの真下に移動してＡｆｌを膜
厚６ｎｍ被着する。へΩ膜の堆積速度は０．４ｎｍ／秒
で行った。ＡＱ堆積後、スパッタ装置内に０２ガスを２
０Ｐａ導入して、室温（２４〜２６℃）中で４０分間の
自然酸化を行ってＡＱの表面酸化膜がトンネル障壁層と
なるＡ　Ｑ　Ｏｘ層（本実施例ではＸ＝２）１３を形成
する。

再び、スパッタ装置内を真空排気した後に、Ｓｉ基板１
１をＮｂターゲットの真下に移動し、ＤＣマグネトロン
スパッタ法により上部電極１４となる膜厚８０ｎｍのＮ
ｂ膜を被着する。被着条件はＡｒ圧力０．８Ｐｂ　　、
堆積速度３ｎｍ／秒で行った。

Ｎｂ／ＡＱＯｘ／Ｎｂ　　の三層膜を連続形成した後、
Ｓｉ基板１１をスパッタ装置から取り出す。

ついで、接合面積を規定するためのレジストパターン１
５を上部電極膜１４上に次の条件で形成する。ＡＺ１３
５０Ｊレジスト（米国ヘキスト社商品名）を膜厚１．３
μｍスピン塗布した後、プリベークを８０℃で２０分間
の処理を行う。

ついで、接合面積が２μｍ角のフォトマスクを用いて、
光強度１６ｍＷ／ｃｉの紫外光により８秒間のパターン
露光を密着法で行う。ついで、クロロベンゼン浸漬処理
を２４℃で１５分間行った後、ＡＺテベロッパ（米国ヘ
ギスト社商品名）：水＝１＝１の組成比で液温２４℃中
で現像を９０秒間行ない、水洗１２０秒後、スピン乾燥
してオーバハング形状から成るレジストパターン１５を
形成する。この条件で形成したレジス［−パターン１５
はオーバハングの厚みが０．４μｍ、＜い込み量が０．
１５μｍである。

ついで、第１図（ｂ）に示すように真空装置内に挿入し
減圧した後、上部電極１４をＣＦ４　（フロン１４）ガ
スによる反応性イオンエツチングによりＡＱＯｘ層１３
が露出するまで接合部以外の上部電極１４をエツチング
除去する。この時のエツチング条件はＣＦ、ガス圧力２
６Ｐａ、電力１００Ｗの条件でエツチングを５分間行う
。

ついで、第１図（ｃ）に示すように真空装置内から取り
出した後、上部電極１４上のレジストパターン１５に対
して、０２ガスによるスパッタエツチングで表面の硬化
処理を次の条件で行う。

Ｏ２ガス圧力０．８Ｐａ　　、高周波電力３００Ｗ、処
理時間は３分間行う。ついで、プラズマ灰化処理を０２
ガス圧力６５Ｐａ、高周波電力１００Ｗ、処理時間はＳ
分間行う。

この結果、レジストの後退寸法は接合パターン端部から
約０．２μｍ、レジスト表面は約０．１μｍ減少してテ
ラス部分（点線丸印内）が上部電極１４上に形成される
。一方、処理後のレジストパターンの断面寸法はオーバ
ハング形状を保ち、上部幅に比べて下部幅が約０．２５
μｍ小さくなって形成される。

ついで、第１図（ｄ）に示すように、真空蒸着法により
Ｓｉを絶縁膜に用いてエツチング部分の埋戻しを行う。

すなわち、反応性イオンエツチング後の上部電極１４上
のレジストパターン１５をリフトオフマスクとして、膜
厚１５０ｎｍの絶縁膜１６を全面に被着する。この際、
上部電極１４の膜厚に対して約１．５倍の絶縁膜を被着
する。

図からも明らかなように上部電極１４上のレジストパタ
ーン１５を除去して形成したテラス部分にも絶縁膜１６
が被着されているのが分かる。

ついで、第１図（ｅ）に示すようにアセトンにより、リ
フトオフを行うと、埋戻し用の絶縁膜１６がエツチング
部分と上部電極１４上の周辺部に保護膜として形成され
た状態となる。

ついで、第１図（ｆ）に示すように上部電極１４の表面
を十分にＡｒスパッタクリーニングで清浄化した後にコ
ンタクト電極用のＮｂ膜を膜厚４００ｎｍ被着する。Ｎ
ｂ膜の被着条件は前述の下部電極１２．上部電極１４と
同様にＤＣマグネトロンスパッタ法によって被着する。

スパッタ装置内から取り出した後、コンタクト電極用の
レジストパターンを次の条件で形成する。

ＡＺ１３５０Ｊレジスト（米国ヘキスト社商品名）を膜
厚１．３　ｐｍ　スピン塗布した後、プリベークを９０
℃で２０分間の処理を行う。ついで、光強度１６ｍＷ／
ａＪの紫外光により６秒間のパターン露光を密着法で行
った後、先述したＡＺデベロッパー：水＝１＝１の組成
比で液温２４℃中で６０秒間の現像を行い、水洗１２０
秒後、スピン乾燥してレジストパターンを形成する。つ
いで。

再び、真空装置内に挿入して減圧した後、前述した接合
パターンと同一条件でＣＦ４ガスによる反応性イオンエ
レチングでレジストパターン以外のＮｂ膜をエツチング
除去する。エツチング終了後、真空装置内から取り出し
てからアセトンによりパターン上のレジストを除去して
コンタクト電極１７を形成して完了する。

第１図（ｆ）で明らかな様に接合面積を規定する上部電
極１４の一部（点線丸印内に示す。）は埋戻し用の絶縁
膜によって完全に保護されているために、コンタクト前
のＡｒのスパッタクリーニングを十分に行ってもマイク
ロショートを引き起こす心配がなく、上部電極１４との
コンタクト電極１７を形成するのが可能となった。

なお、本実施例においては超電導膜にＮｂを用いたが、
本発明はこれに限られることなく、ＮｂＮ　。

ＭｏＮ、Ｐｂ合金等を用いた場合でも同様の効果が得ら
れる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、絶縁膜の埋戻しの際に、溝やばりが形
成されず、上部電極の周辺を完全に保護できる構造が実
現できる。このために、従来問題となっていた下部電極
とコンタクト電極間とのマイクロショートあるいは上層
の配線パターンの断線が防止でき、信頼性の極めて高い
Ｎｂ膜　Ａ　Ｑ　Ｏｘ／Ｎｂ系ジョセフソン接合素子が
再現性良く形成できる。

例えば、８００個直列に接続した２μｍ角のジョセフソ
ン接合の超電導臨界電流（Ｉｃ　）の分布幅は設計値に
対して±４％以内であった。このため信頼性も大幅に向
上し、微小接合から構成されるジョセフソン集積回路の
動作マージンも拡大できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のジョセフソン接合素子の形成工程を示
す断面図、第２図は従来法のジョセフソン接合素子の形
成工程を示す断面図である。 １１．２１・・・基板、１２．２２・・・下部電極、１
３゜２３・・・ＡＱｉｘ層、１４．２４・・・上部電極
、１５゜猶　ｊ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、オーバハング形状のレジストパターンを接合面積規
   定用マスクに用いることを特徴とするジョセフソン接合
   素子のパターン形成方法。 ２、請求項１記載のレジストパターンをマスクにし、下
   記の工程を含むことを特徴とするジョセフソン接合素子
   のパターン形成方法。 （１）基板上に下部電極、トンネル障壁層および上部電
   極の三層膜を連続的に形成する工程、 （２）上記上部電極膜上にレジストパターンを形成する
   工程、 （３）上記レジストパターン以外の上部電極膜をドライ
   エッチングで除去する工程、 （４）残存した上記レジストパターンをＯ＿２プラズマ
   灰化処理によって上記レジストパターンの断面形状を整
   形後退させる工程、 （５）上記基板全面に絶縁膜を被着する工程、 （６）上記レジストパターン上に被着された絶縁膜と共
   に上記レジストパターンを除去する工程。 ３、上記、下部電極、トンネル障壁層および上部電極の
   三層膜はＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ、Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ
   Ｎ、ＮｂＮ／Ｎｂ＿２Ｏ＿５／ＮｂＮのうちの一者の構
   成を有することを特徴とする請求第２項記載のジョセフ
   ソン接合素子のパターン形成方法。